頁(yè)巖氣上翹型水平井牽引器射孔難點(diǎn)分析及解決措施

張志華,廖勇,饒海濤,馮亦江,石文睿

(1.中石化江漢石油工程有限公司測(cè)錄井公司,湖北潛江433123;2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)江大學(xué),湖北武漢430100)

0 引 言

為解決連續(xù)油管傳輸射孔周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、上翹型水平井自鎖等問(wèn)題,中國(guó)首創(chuàng)牽引器射孔技術(shù)[1-2],實(shí)現(xiàn)了牽引器輸送技術(shù)與多級(jí)射孔技術(shù)融合、以及水平井首段低成本射孔[3-4]。隨著四川盆地涪陵、長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)等頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)深入,上翹型水平井(簡(jiǎn)稱上翹井)日漸增多,井眼上翹角度越來(lái)越大,導(dǎo)致井下儀器施工困難。

在涪陵頁(yè)巖氣田,目前上翹井占比達(dá)42%,在水平井水平段大于2 000 m時(shí)會(huì)給牽引器輸送射孔等作業(yè)帶來(lái)較多施工困難。當(dāng)上翹角度大于10°時(shí),射孔作業(yè)爆炸產(chǎn)生的沖擊,易造成下井工具串快速下滑,穿過(guò)電纜,發(fā)生阻卡甚至電纜斷裂,給上翹井段牽引器射孔作業(yè)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2014—2017年在涪陵頁(yè)巖氣田出現(xiàn)了9次上翹井電纜射孔斷裂事件,上翹井射孔工程故障呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

通過(guò)分析井下工具串在上翹井段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),建立了井下工具串與上翹角度的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,提出上翹井牽引器射孔施工常見(jiàn)問(wèn)題及解決措施。解決了長(zhǎng)水平段大角度上翹井射孔的安全質(zhì)量的問(wèn)題,同時(shí)也給以牽引器為平臺(tái)的其他作業(yè)施工提供了參考。該工藝在涪陵、長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)、長(zhǎng)慶等油氣田累計(jì)安全應(yīng)用100余井次。水平井牽引器射孔具有運(yùn)輸方便、操作簡(jiǎn)單、輸送位置準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),大大降低了井下作業(yè)成本,已應(yīng)用于水平井測(cè)井、射孔、打撈等作業(yè)[5],有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 問(wèn)題分析及解決措施

上翹型水平井牽引器射孔作業(yè)時(shí),牽引器從自然遇阻位置開(kāi)始牽引輸送,通過(guò)上翹井段到達(dá)射孔層位。整個(gè)過(guò)程受到多種變化力的作用,每種力都可改變牽引器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。作業(yè)過(guò)程通常分為3個(gè)階段:首先是牽引器輸送射孔設(shè)備到射孔位置,然后在上翹位置錨定射孔,再起出井下工具串。作業(yè)時(shí)常遇到3個(gè)方面的問(wèn)題,解決了這些問(wèn)題,才能確保牽引器射孔的安全作業(yè)。

圖1 牽引器輸送井下工具串示意圖

1.1 牽引力不足引起的上翹井輸送問(wèn)題

牽引器射孔作業(yè)輸送井下工具串示意圖見(jiàn)圖1。牽引器受到的外力主要包括:工具串自身重力G、井筒管壁對(duì)牽引輪的作用力N、電纜對(duì)牽引器拉力F1和牽引輪產(chǎn)生的牽引力F。井下工具串受力情況見(jiàn)圖2。

圖2 牽引器輸送井下工具串受力圖

牽引器輸送過(guò)程中,電纜對(duì)牽引器的拉力和井下工具串重力沿坡道分力對(duì)牽引器運(yùn)動(dòng)影響較大[6-7]。流體阻力等對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響較小,暫不考慮。電纜對(duì)牽引器的拉力是一個(gè)變量,隨牽引距離的增加而增加。從運(yùn)動(dòng)原理分析,必須使?fàn)恳啴a(chǎn)生的拖拉牽引力大于運(yùn)動(dòng)阻力之和

F>GsinΦ+F1

(1)

式中,F為牽引器拖拉牽引力,kN;G為井下工具串自身重力,kN;Φ為地層上傾角度,(°);F1為電纜對(duì)牽引器拉力,kN。

牽引器實(shí)現(xiàn)上翹井輸送必須具有足夠的驅(qū)動(dòng)力,才能沿著上翹面運(yùn)動(dòng),牽引器拖拉牽引力取決于附著系數(shù)以及套管壁作用于牽引輪的反作用力

F=μN(yùn)

(2)

式中,μ為摩擦系數(shù);N為套管壁作用于牽引輪的反作用力,kN。

從式(2)可知,套管壁作用對(duì)牽引輪上的作用力可提高牽引輪附著力,增加牽引器的牽引力輸出。井筒管壁對(duì)牽引輪的作用力與牽引輪對(duì)套管壁的作用力是一對(duì)作用力和反作用力關(guān)系,其大小是由牽引器液壓系統(tǒng)壓力決定。目前使用的JHQY-D型牽引器液壓系統(tǒng)提供的液壓壓力在0～10 MPa,在5 in(1)非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管內(nèi),測(cè)試了牽引器液壓系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的壓強(qiáng)與井筒管壁對(duì)牽引輪的支撐力之間關(guān)系(見(jiàn)表1)。

從表1可見(jiàn),牽引器液壓系統(tǒng)壓強(qiáng)可決定牽引輪附著力的大小,進(jìn)而改變牽引器輸出最大牽引力,可通過(guò)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng),直接影響輸送能力。若牽引器預(yù)設(shè)液壓壓強(qiáng)值過(guò)小,則牽引器輸出的牽引力偏小,輸送距離較短,容易出現(xiàn)牽引輪打滑現(xiàn)象。若預(yù)設(shè)液壓壓強(qiáng)過(guò)大,牽引輪產(chǎn)生牽引力增大的同時(shí),還會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的附加摩擦阻力,降低牽引器輸出牽引力的有效性[7],同時(shí)加快牽引輪磨損,這樣會(huì)降低牽引輪與套管壁的附著力。

表1 牽引器液壓系統(tǒng)壓強(qiáng)與井筒管壁對(duì)牽引輪的 支撐力關(guān)系

在上翹井輸送時(shí),既要保持足夠的牽引力,還要盡可能避免牽引輪的磨損。根據(jù)牽引器實(shí)際負(fù)荷情況,應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓強(qiáng),獲得足夠大的牽引力,以實(shí)現(xiàn)上翹井輸送,一般牽引器液壓系統(tǒng)提供的壓強(qiáng)為水平狀態(tài)下輸送壓強(qiáng)的110%左右。

牽引器的額定牽引力的產(chǎn)生是通過(guò)電機(jī)輸出的固定功率,經(jīng)減速器增大轉(zhuǎn)矩、帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪組,最終將動(dòng)力傳遞給牽引輪,驅(qū)動(dòng)輪子相對(duì)套管壁滾動(dòng)形成牽引力[2,5],牽引力計(jì)算公式為

(3)

式中,p為電機(jī)輸出功率,W;n為齒輪比,rad/s;i為減速器傳動(dòng)比;η為機(jī)械效率;r為牽引輪半徑,m;w為電機(jī)角速度,r/min。

牽引器通過(guò)上翹井段時(shí),需要的牽引力越大越好。從式(3)可知,牽引力與減速器傳動(dòng)比的平方成正比,可通過(guò)選用合適的加速器,提高扭力輸出,從而增大牽引力。目前JHQY-D型牽引器有4種比例的減速器,可以根據(jù)實(shí)際上翹井的上翹角度,選擇不同比例的減速器,一般上翹角度大于10°,使用減速比為160∶1以上的加速器,從而可以提高牽引器在上翹井輸送能力。

目前上翹型水平井射孔作業(yè)中,井下工具串主要由射孔馬龍頭、旋轉(zhuǎn)短節(jié)、剎車短節(jié)、磁定位、扶正器、牽引器、柔性短節(jié)、減震器和射孔槍串組成。井下工具串參數(shù)見(jiàn)表2。

上翹井牽引器射孔輸送理想狀態(tài)下,井下工具串在上翹面做勻速直線運(yùn)動(dòng),井斜角與牽引力關(guān)系為

F=GsinΦ+μGdcosΦ

(4)

式中,Gd為重電纜質(zhì)量,kg。

以表2確定的井下工具串,使用245 kg/km的單芯電纜輸送,若牽引速度在0.05～0.13 m/s時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)式(4)可得到牽引器輸送過(guò)程中井斜角與所需牽引力的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3)。

表2 牽引器射孔工具串組成及參數(shù)

圖3 井斜角—牽引力關(guān)系曲線圖

在牽引器上翹水平井輸送過(guò)程中,隨著井斜角的增加,需要的牽引力也增加,只有當(dāng)牽引器提供的牽引力大于對(duì)應(yīng)的井斜角度的牽引力時(shí),牽引器才能沿著上翹面做勻速運(yùn)動(dòng)。在輸送過(guò)程要注意電纜下放的速度,若電纜下放速度比牽引器牽引速度慢,電纜張力會(huì)逐漸增大,當(dāng)張力增大到一定程度,會(huì)引起牽引器過(guò)載,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成牽引器的打滑并損壞牽引輪;若電纜下放速度比牽引器牽引速度快,電纜會(huì)在井筒環(huán)形空間堆積而出現(xiàn)打扭導(dǎo)致故障。因此,在牽引過(guò)程中,絞車電纜下放與牽引器牽引速度必須保持同步,這樣可以保證電纜在套管內(nèi)的冗余量保持恒定值。為降低電纜損傷,可在馬龍頭以上的電纜安裝筒管,增大電纜硬度,有效防止馬龍頭端電纜彎折。

1.2 射孔作業(yè)引起的井下設(shè)備下滑問(wèn)題

牽引器輸送射孔工具串到達(dá)上翹井作業(yè)位置后,開(kāi)始進(jìn)行射孔作業(yè),井下工具串重力分解從輸送過(guò)程中的阻力變?yōu)橄禄屏?再加上射孔彈爆炸產(chǎn)生的沖擊力,導(dǎo)致井下工具串在上翹井的斜面上做向下的加速運(yùn)動(dòng),造成井下工具串下滑損傷電纜,甚至是斷裂。

對(duì)射孔槍爆燃后產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行測(cè)試:采用1 m射孔槍(型號(hào)為89-16-60-140),安裝射孔彈(型號(hào)為BH42RDX28-2),孔密為16孔/m,在內(nèi)徑115.02 mm的套管中進(jìn)行井下爆炸沖擊加速度測(cè)量,在軸向沖擊的加速度變化曲線見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,射孔作業(yè)時(shí)井下工具串產(chǎn)生的軸向瞬間加速度值高于2 300 m/s2,在工具串上產(chǎn)生推力大于1×104N,足以讓井下工具串沿著斜面加速向下滑動(dòng),造成工具穿過(guò)電纜、電纜損傷或斷裂。

圖4 射孔彈爆炸瞬間軸向加速度變化曲線圖

為確保工具串在上傾斜面保持靜止?fàn)顟B(tài)射孔,必須滿足工具串向下運(yùn)動(dòng)阻力大于沖擊力和自身重力分力的合力。目前主要采取的方法是在工具串上連接剎車短節(jié)或增阻扶正器。剎車短節(jié)是通過(guò)剎車臂支撐在套管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦阻力,中國(guó)的剎車短節(jié)的最大錨定力只有400 kg,不足以消除射孔作業(yè)對(duì)井下設(shè)備的作用力,無(wú)法將工具串錨定在上翹井段進(jìn)行射孔作業(yè)。通過(guò)在井下工具串中連接剎車短節(jié)、在井下工具串剛性較小位置增加增阻扶正器、輔助剎車短節(jié)、牽引器自身牽引臂等綜合方法增加井下工具串的阻力,同時(shí)盡可能用鈦合金制造工具串減小工具串自重,保證工具串在上翹井安全作業(yè)。

1.3 回收工具串運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制失控問(wèn)題

上翹井牽引器射孔作業(yè)完成后,通過(guò)上提電纜回收井下工具串。當(dāng)上翹角度大于一定角度時(shí),阻力降至啟動(dòng)臨界點(diǎn)后,工具串開(kāi)始向下加速運(yùn)動(dòng),井下工具串運(yùn)動(dòng)不受控制,易造成工具串與電纜纏繞,進(jìn)而導(dǎo)致井下工具遇卡、電纜打扭及斷裂等情況。采取相應(yīng)措施,可以有效避免電纜堆積纏繞等復(fù)雜情況的發(fā)生。

從上翹井段回收開(kāi)始時(shí),上提電纜初始速度不宜過(guò)快,可采用最低安全上提電纜速度。如上翹角度為8°時(shí),以500 m/h的速度開(kāi)始上提電纜為適宜,這樣可以給后續(xù)提速保留空間。上提速度根據(jù)上翹角度或坡道距離長(zhǎng)短決定,及時(shí)調(diào)整上提電纜速度,達(dá)到井下工具和電纜兩者平衡速度運(yùn)動(dòng)。井下工具串運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可根據(jù)實(shí)測(cè)磁定位曲線與套管長(zhǎng)度出現(xiàn)變化確定,但上提電纜速度不應(yīng)高于絞車最大安全速度。同時(shí)還可根據(jù)地面張力變化,判斷井下工具運(yùn)動(dòng)狀態(tài),作為輔助參考。

2 應(yīng)用實(shí)例

N209H-B5井是四川某區(qū)塊的一口頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)水平井,該井井眼軌跡見(jiàn)圖5。完鉆井深5 050.0 m,人工井底深5 012.23 m,采用外徑為139.7 mm的套管完井。該井水平段井眼處于大角度上翹形態(tài),最大井斜為110.8°(井深4 630 m),水平段A靶點(diǎn)(井深3 290 m)到B靶點(diǎn)(井深5 005 m)之間落差絕對(duì)值為475 m。

圖5 N209H-B5井井眼軌跡圖

N209H-B5井首段射孔井段為5 006～5 005 m,井斜角為109.1°。該井通過(guò)連續(xù)油管輸送射孔模擬,結(jié)果顯示連續(xù)油管將于井深4 200 m處出現(xiàn)自鎖,無(wú)法完成首段射孔作業(yè),因此,該井采用牽引器輸送方式進(jìn)行射孔作業(yè)。牽引器射孔入井工具串采用多種防下滑方法,工具串依靠自身重力作用在井深3 210 m遇阻,啟動(dòng)牽引器輸送。初始預(yù)設(shè)牽引器推靠壓力為3 MPa,由于該井上翹角度較大,輸送過(guò)程中牽引器液壓推靠壓力逐步提升到9 MPa,接近推靠壓力上限值,經(jīng)過(guò)9 h連續(xù)作業(yè),牽引工具串至井深5 008 m,牽引水平段長(zhǎng)1 800 m,到達(dá)預(yù)定射孔位置。

在射孔點(diǎn)火前,將牽引器液壓推靠壓力降到3 MPa。射孔后,上提電纜至井口,電纜最大速度為4 000 m/h,安全完成該井高角度上翹井(井斜角度110.8°)牽引器輸送和大斜度(井斜角度109°)定點(diǎn)射孔2大技術(shù)難點(diǎn),射孔發(fā)射率100%。

3 結(jié) 論

(1)據(jù)上翹井牽引器輸送運(yùn)動(dòng)受力分析,建立井斜角與牽引力數(shù)學(xué)方程式,客觀反映了隨著牽引器輸送距離的增加,需要的牽引力增大。可依據(jù)不同類型上翹井區(qū)別選擇不同比例的減速器。

(2)實(shí)測(cè)射孔瞬間壓力和軸向加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù),為射孔工具串下滑影響因素分析提供依據(jù),在制定上翹井牽引器射孔工具串防下滑方案和優(yōu)化工具串方面發(fā)揮了重要作用。

(3)利用牽引器液壓推靠系統(tǒng),能較好消除工具串受射孔沖擊造成下滑的安全風(fēng)險(xiǎn),解決上翹井下滑的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)大斜度上翹井的安全射孔要求。

(4)該技術(shù)作為非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)的牽引器射孔新工藝,提高了油氣田開(kāi)發(fā)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性,具有較好的推廣價(jià)值。